Physicists in Arts &Sciences ha proposto un nuovo modo per sfruttare i dati di grandi telescopi per neutrini come l'Osservatorio di neutrini IceCube in Antartide. Credito:Felipe Pedreros/IceCube e National Science Foundation
I fisici della Washington University di St. Louis hanno proposto un modo per utilizzare i dati dei neutrini ad altissima energia per studiare le interazioni oltre il modello standard della fisica delle particelle. Il modello "Zee burst" sfrutta i nuovi dati provenienti da grandi telescopi per neutrini come l'Osservatorio di neutrini IceCube in Antartide e le sue future estensioni.
"I neutrini continuano ad incuriosirci e ad allungare la nostra immaginazione. Queste 'particelle fantasma' sono le meno comprese nel modello standard, ma hanno la chiave di ciò che sta al di là, " ha detto Bhupal Dev, assistente professore di fisica in Arts &Sciences e autore di un nuovo studio in Lettere di revisione fisica .
"Finora, tutti gli studi di interazione non standard presso IceCube si sono concentrati solo sui dati sui neutrini atmosferici a bassa energia, " ha detto Dev, che fa parte del McDonnell Center for the Space Sciences della Washington University. "Il meccanismo 'Zee burst' fornisce un nuovo strumento per sondare le interazioni non standard utilizzando i neutrini ad altissima energia di IceCube".
Eventi ad altissima energia
Dalla scoperta delle oscillazioni dei neutrini due decenni fa, che ha vinto il premio Nobel 2015 per la fisica, gli scienziati hanno compiuto progressi significativi nella comprensione delle proprietà dei neutrini, ma molte domande rimangono senza risposta.
Per esempio, il fatto che i neutrini abbiano una massa così piccola richiede già agli scienziati di considerare teorie oltre il modello standard. In tali teorie, "i neutrini potrebbero avere nuove interazioni non standard con la materia mentre si propagano attraverso di essa, che influenzerà in modo cruciale le loro future misurazioni di precisione, " ha detto Dev.
Questo è il neutrino a più alta energia mai osservato, con un'energia stimata di 1,14 PeV. È stato rilevato dall'Osservatorio IceCube Neutrino al Polo Sud il 3 gennaio, 2012. I fisici di IceCube lo hanno chiamato Ernie. Credito:collaborazione IceCube
Nel 2012, la collaborazione IceCube ha riportato la prima osservazione di neutrini ad altissima energia da fonti extraterrestri, che ha aperto una nuova finestra per studiare le proprietà dei neutrini alle più alte energie possibili. Da quella scoperta, IceCube ha riportato circa 100 di questi eventi di neutrini ad altissima energia.
"Ci siamo subito resi conto che questo poteva darci un nuovo modo di cercare particelle esotiche, come partner supersimmetrici e materia oscura in decadimento pesante, " ha detto Dev. Negli anni precedenti, aveva cercato modi per trovare segnali di nuova fisica a diverse scale energetiche ed era stato coautore di una mezza dozzina di articoli che studiavano le possibilità.
"La strategia comune che ho seguito in tutti questi lavori è stata quella di cercare caratteristiche anomale nello spettro degli eventi osservati, che potrebbe quindi essere interpretato come un possibile segno di nuova fisica, " Egli ha detto.
La caratteristica più spettacolare sarebbe una risonanza:ciò che i fisici testimoniano come un drammatico miglioramento degli eventi in una ristretta finestra energetica. Dev ha dedicato il suo tempo a pensare a nuovi scenari che potessero dare origine a tale caratteristica di risonanza. Da lì è nata l'idea del lavoro attuale.
Nel modello standard, i neutrini ad altissima energia possono produrre un bosone W alla risonanza. Questo processo, nota come risonanza di Glashow, è già stato visto su IceCube, secondo i risultati preliminari presentati al convegno Neutrino 2018.
"Proponiamo che caratteristiche di risonanza simili possano essere indotte a causa di nuova luce, particelle cariche, che fornisce un nuovo modo per sondare le interazioni dei neutrini non standard, " ha detto Dev.
Rendering di un'osservazione degli eventi ad altissima energia che alimentano il modello "Zee burst". Credito:Yicong Sui, Università di Washington
Irrompendo sulla scena dei neutrini
Dev e il suo coautore Kaladi Babu dell'Oklahoma State University hanno considerato il modello Zee, un modello popolare di generazione di massa di neutrini radiativi, come prototipo per il loro studio. Questo modello consente agli scalari carichi di essere leggeri fino a 100 volte la massa del protone.
"Queste luci, Gli scalari Zee carichi potrebbero dare origine a una caratteristica di risonanza simile a Glashow nello spettro degli eventi di neutrini ad altissima energia presso l'Osservatorio di neutrini di IceCube, " ha detto Dev.
Poiché la nuova risonanza coinvolge scalari carichi nel modello Zee, decisero di chiamarlo "Zee burst".
Yicong Sui alla Washington University e Sudip Jana all'Oklahoma State, sia studenti laureati in fisica che coautori di questo studio, ha effettuato ampie simulazioni di eventi e analisi dei dati che mostrano che è possibile rilevare una tale nuova risonanza utilizzando i dati di IceCube.
"Abbiamo bisogno di un tempo di esposizione effettivo di almeno quattro volte l'esposizione attuale per essere abbastanza sensibili da rilevare la nuova risonanza, quindi sarebbero circa 30 anni con l'attuale design IceCube, ma solo tre anni di IceCube-Gen 2, "Dev ha detto, riferendosi alla proposta estensione di prossima generazione di IceCube con un volume del rivelatore di 10 km3.
"Questo è un modo efficace per cercare i nuovi scalari carichi su IceCube, complementare alle ricerche dirette di queste particelle al Large Hadron Collider".
